水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理

第九章水环境污染控制与治理的生态工程及微生物学原理第一节污、废水生物处理中的生态系统城市生活污水和工业废水生物处理的方法很多，根据微生物与氧的关系分为好氧处理和厌氧处理两大类。根据微生物在构筑物中处于悬浮状态或固着状态，分为活性污泥法和生物膜法。一、好氧活性污泥法普通活性污泥法是依据水的自净作用原理发展而来的初沉池曝气池二沉池废水→→→→出水回流污泥剩余污泥初次沉淀池曝气池二次沉淀池污泥消化池（一）好氧活性污泥中的微生物群落1、好氧活性污泥的组成与性质好氧活性污泥是由多种多样的好氧微生物和兼性厌氧微生物与污（废）水中有机的和无机固体物混凝交织在一起，形成的絮状体或称绒粒（floc）。（1）组成：细菌、微型动物为主体的各种好氧、兼性厌氧微生物+悬浮物质、胶体物质形成的絮状体。（2）性质：含水率99%，密度1.002-1.006，pH6.7，绒粒大小0.02-0.2mm，比表面积20-100cm2/ml。2、好氧活性污泥的存在状态：完全混合式：悬浮状态，均匀分布推流式：不均匀分布，随推流方向微生物种类依次增多3、好氧活性污泥中微生物群落活性污泥的结构和功能的中心是能起絮凝作用的细菌形成的菌胶团，其上生长着各种类型的微生物，形成一个微生物群落。（1）细菌：活性污泥主要成分是细菌，来源于土壤、水、空气。某些属出现频率很高，尤其是动胶菌属和假单胞菌属。此外还有一类丝状细菌存在，如球衣菌属、发硫菌、贝氏硫菌属。它们大多数是化能异养菌，以有机质为主要营养源，好氧或兼性厌氧，以G-占优势。许多菌具有荚膜或微荚膜，部分细菌有纤毛，与絮状体形成密切相关。动胶菌属球衣菌属（2）真菌：主要为丝状真菌，有毛霉、根霉、曲霉、青霉、镰刀霉、木霉、地霉等。霉菌常出现在pH低的废水中。真菌在活性污泥中不占重要地位，其作用估计与絮状水体形成及膨胀有关。（3）微型动物：原生动物和少数多细胞动物，原生动物占总数90%。数量种类与污水的类型不同而不同，生活污水中原生动物量大于工业废水。以纤毛虫纲占优势，多细胞动物有轮虫、颤蚓、线虫等。原生动物在废水净化中的作用仅次于细菌。（4）藻类：较少，有绿藻如小球藻属，蓝细菌颤藻属。4、好氧活性污泥中微生物浓度和数量浓度常用1升活性污泥混合液中恒重的干固体mg数表示，即MLSSmixedliquorsuspendedsolids——混合液悬浮固体。一般生活污水MLSS2000-3000mg/L工业废水MLSS3000mg/L高浓度工业废水MLSS3000-5000mg/L1ml污泥中细菌数107-108个（二）活性污泥净化废水的作用机理净化作用过程：1、吸附：废水与活性污泥充分接触，形成悬浊混合液，污染物被比表面积大的絮凝性微生物吸附。2、胞外分解和吸收：呈胶态的大分子有机物被吸附后，首先被微生物分泌的胞外水解酶分解为小分子物质，这些小分子物质与溶解性有机物一起在透膜酶作用下或在浓度梯度推动下选择性吸收入胞。在细菌内氧化分解，中间代谢物被其他细菌吸收无机化为水和二氧化碳。3、其他微生物吸收或吞食未分解的有机物4、凝聚、沉淀：絮状体的作用（三）好氧活性污泥法的几种处理工艺流程（1）推流式曝气法：采用长方形曝气池，处理时废水与活性污泥从曝气池一端同时进入，经曝气机的推流作用，原污水与活性污泥向前推进到末端。该法BOD和悬浮物的去除率达90-95%，适用于处理水质要求高水质比较稳定的废水。缺点：对水质变化的适应能力不强；所供氧不能充分利用，前端需氧量大后端相反，但空气是沿池平均分布的；曝气池相对庞大，占地多，能耗高。（4）分段布水推流式曝气法也称多点进水曝气法。废水沿池多点进入，使有机物在曝气池中分布均匀。（3）接触氧化稳定法也称吸附再生法。曝气池分为接触氧化池（吸附池）和稳定池（再生池）。废水先进入接触氧化池，充分混合后进入沉淀池，回流污泥进入稳定池，曝气但不加废水，使活性污泥中有机物进一步分解。（2）完全混合式曝气法原污水、回流污泥进入曝气池后立即与池内原有的混合液充分混合。池内水质均匀，各部分工作情况基本一样。缺点主要是出水水质上往往不及推流式。（5）氧化沟连续环式反应池，因其构筑物呈封闭的沟渠形而得名。平面上多为椭圆或圆形。具有特殊的水流混合特征，介于推流式和完全混合式之间。适合处理高浓度有机废水。污泥产量少，能耗低。（四）氧化塘（或氧化沟）的生物群落及其处理废水机制氧化塘就是利用天然池塘、河堤、洼地来治理污染。在塘内形成藻类、好氧性细菌和原生动物组成共生系统，使废水得到净化。1、微生物群落（1）藻类：表层是藻类，如小球藻、栅列藻、衣藻、裸藻、颤藻等。（2）细菌：存在下层。优势菌群：假单胞菌、黄杆菌、产碱杆菌、芽孢杆菌、光合细菌等，在底部厌氧层有硫酸盐还原菌、产甲烷菌等。（3）微型动物：主要是纤毛虫，一般有钟虫、膜袋虫等种类，最高1000个/ml。还有轮虫、甲壳类、摇蚊幼虫（底泥中）2、处理机制利用细菌与藻类的互生关系来分解有机污染物的废水处理系统。（五）菌胶团的作用定义：广义讲，将所有具有荚膜或粘液或明胶质的絮凝性细菌互相絮凝聚集成的菌胶团块都称为菌胶团。形成菌胶团的主要细菌是动胶菌，有的种胞外有荚膜，在污水中可凝聚成肉眼可见的絮状物。此外该菌有胞外小纤毛能将絮状物中的细胞交织在一起，这种交织作用使许多细胞互相粘连形成最初的活性污泥凝聚体。作用：1、很强的生物吸附和氧化分解有机物的能力2、为原生动物提供良好的生存环境3、为原生动物、微型动物提供附着场所4、具有指示作用（六）原生动物及微型后生动物的作用1、指示作用：原因在于原生动物是较高等动物，耐毒力比细菌好，对环境因素改变比较敏感，环境条件改变可引起它们种群、数量及代谢活力的变化；个体大，在低倍镜下可见便于观察。（1）判断污水处理程度：（2）指示污泥性质和好坏：正常污泥：钟虫属、累枝虫属、盖虫属等固着性或匍匐性种数污泥恶化：絮凝体0.1-0.2mm以下，优势种属有豆形虫、草履虫、眼虫、波豆虫属等快速游泳型种属。严重恶化时微型动物几乎不出现。污泥膨胀：摄食丝状菌的裸口目旋毛科、全毛类原生动物及拟轮毛虫等。污泥解体：絮凝体细小，针状分解。优势种为变形虫属、简便虫属等肉足类。（3）指示水质变化和运行中出现的问题形态变化：环境条件恶劣时——形成孢囊；pH超过正常范围——钟虫纤毛停止摆动，虫体收缩成团生殖方式：出现有性生殖时往往预示环境条件变差或种群处于衰老期。优势种变化：高负荷，曝气不足——小鞭毛虫；水停留时间过短——小的游泳型纤毛虫；很高负荷及难降解物——小裸变形虫和鞭毛虫；溶氧不足——阿托氏菌属、扭头虫属和新态虫属过分曝气——肉足类及轮虫类。2、净化作用腐生性营养的某些鞭毛虫通过渗透作用吸收污水中溶解性有机物；动物性营养的原生动物可吞食有机颗粒和游离细菌，利于净化水质。3、絮凝和沉淀作用原生动物可以分泌一定的粘液协同和促进细菌发生絮凝作用。（4）指示细菌活力：小口钟虫在细菌生长活跃旺盛的对数期出现，沟钟虫需要细菌的代谢副产物，出现在细菌生长的衰老期（七）好氧活性污泥的培养1、间歇式曝气培养（1）菌种来源：污水处理厂的活性污泥；工厂集水池或沉淀池污泥或污水流经的河流淤泥。（2）驯化：倾去上清液，加入同浓度新鲜废水调高1个浓度低浓度废水培养重复操作曝气23h沉淀1h重复3-7天原废水浓度（3）培养：改用连续曝气培养法培养，用镜检和化学测定分析判断活性污泥的成熟度，若菌胶团结构紧密，原生动物以钟虫等固着型纤毛虫为主，沉降性能好，说明进入成熟期。2、连续曝气培养用现成的与本厂相同水质处理厂的活性污泥做菌种可直接用连续曝气培养。接种小流量进水增加一个浓度梯度设计流量闷曝运行一周二、好氧生物膜法主要类型：生物滤池：普通生物滤池；高负荷生物滤池；塔式生物滤池生物转盘生物接触氧化法（淹没式生物滤池）生物转盘（一）生物膜中的微生物群落1、好氧生物膜：由各种微生物组成的，附着在各种支撑体上的一层粘性固定化薄膜。是生物膜法处理系统的工作主体，厚约2-3mm，一般呈蓬松的絮状结构，微孔很多，表面积很大，因此有很强的吸附作用，利于微生物进一步对这些吸附的有机物的分解。2、好氧生物膜中的微生物群落及其功能（1）生物膜生物：细菌：以动胶菌为主，其他的还有好氧的芽孢杆菌属、不动杆菌属，专性厌氧的脱硫弧菌属等。另一主要的细菌是丝状细菌。在生物膜中丝状细菌不会引起膨胀，特别是球衣细菌降解有机物能力非常强，在净化废水中起重要作用。此外，丝状菌大量生长，菌丝体交叉粘连形成网状结构，对水流起到过滤作用。真菌：种类和数量都很丰富，约30%是真菌藻类：在生物滤池上部，藻类的主要作用是向生物膜供氧（2）生物膜面生物固着型纤毛虫：钟虫、独缩虫、累枝虫属；游泳型纤毛虫：豆形虫、尖毛虫等。它们是动物中的主要类群，其优势种随生物膜营养物质和其他环境条件变化而更替，可作为水处理的指示生物。能促进滤池净化速度，提高滤池整体的处理效率。（3）滤池扫除生物体形较大的无脊椎动物如轮虫、线虫，环节动物门的瓢体虫、沙蚕，节肢动物水螨，软体动物蜗牛等，去除滤池中的污泥，防止污泥积聚和堵塞。3、好氧生物膜的结构生物滤池中的生物膜分为水层、好氧层、厌氧层上层：营养浓度高，主要是细菌，少数鞭毛虫中层：废水中的营养物，微生物代谢产物，种类较多，有菌胶团、浮游球衣菌、鞭毛虫、变形虫、肾形虫等下层：有机物浓度低，低分子有机物较多。菌胶团、浮游球衣菌、固着型纤毛虫，少数游泳型纤毛虫。4、净化作用机理（二）好氧生物膜的培养——挂膜1、自然挂膜法将带有自然菌种的工业废水用泵慢速打入空的生物滤池中，循环3-7后改为慢速连续进水。在这过程中，废水中的自然菌种和空气微生物附在滤料上，逐渐形成一层粘性的微生物薄膜，当进水流量达到设计值时，滤池由上而下形成正常分层的微生物相就可以进行正式运行。2、活性污泥挂膜法取处理生活污水或处理工业废水的活性污泥做菌种3、优势菌种挂膜法从自然环境或废水处理中筛选分离得到对某种工业废水有强降解能力的菌株，还可以是遗传育种或基因工程菌。第二节活性污泥丝状膨胀和丝状膨胀控制对策正常的活性污泥沉降性能很好，但当活性污泥性能发生变化，比重减轻，SVI值增加时，污泥会因结构松散而造成沉降困难，在二次沉淀池中出现池面飘泥现象，污泥随出水排出，使出水有机物浓度增高，这一现象称为污泥膨胀。污泥膨胀有两种：丝状膨胀——丝状细菌引起；菌胶团膨胀——非丝状细菌引起。都可用SVI（Sludgevolumeindex）衡量，当SVI大于200ml/g时表示发生膨胀，小于200为正常，通常在50-150，最好是100。一、活性污泥丝状膨胀的成因（一）致因微生物最常出现的有10几种，如诺卡氏菌、微丝菌、浮游球衣菌、发硫菌等。除了常见的丝状细菌外，也包括某些放线菌、丝状真菌以及在一定生活阶段或一定条件下，菌体能集合成链状的芽孢杆菌属、埃希氏菌属、黄杆菌属、假单胞菌属的某些菌株。（二）活性污泥丝状膨胀的成因1、温度：菌胶团细菌如动胶菌最适生长温度28-30℃，浮游球衣菌是25-30℃，两者差别不大，但浮游球衣菌是微量好氧能竞争生长。2、溶解氧菌胶团细菌是严格好氧的，浮游球衣菌是好氧菌但在微氧条件下也能正常生长。贝日阿托氏菌、发硫菌在0.5mg/L时生长最好。3、可溶性有机物及其种类丝状细菌能吸收可溶性有机物，尤其是低分子的糖类和有机酸，厌氧条件下有机物不彻底分解产生有机酸，使丝状细菌大量生长。4、有机物浓度（有机负荷）浮游球衣菌较能适应贫营养的生长条件，在C、N含量较低的条件下能良好生长。在生活污水和食品类有机废水中BOD5100-200mg/L，浮游细菌可呈优势生长，数量超过60%，使污泥发生膨胀。动胶菌适于营养较丰富的条件，对碳源利用率高，C：N大于10呈絮状生长，小于10-5则分散生长。（三）活性污泥丝状膨胀的机理表面积/容积比假设：在单位体积中，丝状细菌的表面积与容积比较菌胶团细菌大，对有限制性的营养和环境条件的争夺占优势，大量生长成为优势菌引起活性污泥膨胀，两者的优势竞争在于以下方面：1、对溶解氧的竞争：氧充分条件下好氧的动胶菌生长良好。如果曝气池溶